DE102017211039A1

DE102017211039A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion von Partikeln

Info

Publication number: DE102017211039A1
Application number: DE102017211039.2A
Authority: DE
Inventors: Joachim Kaiser; Michael Willsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2017-06-29
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) sowie ein Verfahren zur Detektion von Partikeln (36), mit wenigstens einer Lichtquelle (12), und mit wenigstens einem Detektor (14) zum Erfassen von Licht, wobei wenigstens ein Detektionsvolumen (16) von einem Gasstrom durchströmbar und mittels von der Lichtquelle (12) bereitgestelltem Licht beleuchtbar ist, wobei der Detektor (14) dazu ausgebildet ist, aus einer durch in dem Gasstrom enthaltene Partikel (36) in dem Detektionsvolumen bewirkten Streuung des Lichts zum Beleuchten des Detektionsvolumens (16) resultierendes Streulicht zu erfassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zur Detektion von Partikeln gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
Bei elektrischen Maschinen, Antrieben, Motoren, Kompressoren und/oder Generatoren können durch, zum Beispiel betriebsbedingte und/oder unerwünschte und/oder unvorhersehbare, Vibrationen elektrisch isolierte Leiter, Stäbe und/oder Teilleiter gegeneinander oder gegen Befestigungsstellen scheuern und/oder reiben. Dadurch kann wenigstens ein Schaden an der Isolierung entstehen, welcher mit der Freisetzung von Teilen beziehungsweise Partikeln des Isolationsmaterials einhergeht. Die Partikel werden beispielsweise durch einen Kühlungsluftstrom in der, insbesondere elektrischen, Maschine verteilt.
Um Beschädigungen beziehungsweise weitergehende Beschädigungen an der Isolation zu vermeiden, gibt es verschiedene Verfahren zur Erkennung. Beispielsweise zeigt die EP 2 385 357 A1 einen faseroptischen Vibrationssensor für Generatoren in Kraftwerken. Dabei wird über Vibrationsmessung an den elektrischen Leitern eines Wickelkopfs des Generators Schwingungen gemessen, welche als ein Maß für Beschädigungen an der Isolierung herangezogen werden.
Die DE 10 2011 054 047 A1 offenbart ein Elektromaschinenkomponentenüberwachungssystem, welches eine Lichtquelle enthält die über ein Faseroptikkabel ein optisches Signal ausgibt. Ferner enthält sie eine Sensorkomponente die an einer Elektromaschinenkomponente oder in einem Abstandshalterabstand von der Elektromaschinenkomponente angeordnet ist, um ein optisches Antwortsignal zu erhalten, dass eine Bedingung der Elektromaschinenkomponente kennzeichnet.
Ferner ist allgemeiner Stand der Technik das Durchführen von Temperaturmessungen an beziehungsweise auf der Isolierung als Indikator einer möglichen Schädigung. Dabei erlauben diese Messungen aber keine direkte Aussage über einen möglichen Materialabtrag der Isolierung.
Die Partikel der Isolationsmaterialien können aus Glasfasern der zur Armierung benutzten Glasseidenbänder, aus Glimmerpartikeln des Isolationsmaterials, aus Gewebe und Farbartikeln der äußersten lackierten Isolationsschicht und/oder aus weiteren zur Isolation verwendeten Materialien wie beispielsweise Generatorenharz, Bindemittel, Epoxidharz und/oder weiteren Bestandteilen, wie beispielsweise des Befestigungsmaterialien der isolierten Leiter, bestehen.
Durch die Schadensfrüherkennung ist es möglich, Schäden, wie sie beispielsweise durch elektrischen Durchschlag an den schadhaften Isolationsstellen verursacht werden können, zu vermeiden und somit unplanmäßige und teure Maschinenstillstände vorzubeugen.
Ferner ist es bei einem Maschinenstillstand möglich, durch Endoskopie an geeigneten Maschinenöffnungen den inneren Zustand der Maschine visuell zu begutachten. Schadensstellen, die über die Endoskopie-Öffnungen nicht zugänglich sind, können nicht direkt begutachtet werden. Zudem ist eine kostspielige Abschaltung und Öffnung der Maschine notwendig.
Um schwerwiegende Spät- beziehungsweise Folgeschäden und dadurch nötigen Stillstand der Maschine zur Reparatur zu vermeiden und einen durchgehenden Betrieb einer, insbesondere elektrischen, Maschine sicherzustellen, ist ein rechtzeitiges Erkennen von Schäden der Isolierung wünschenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchen in besonders vorteilhafter Weise etwaige Beschädigungen eines Isolationsmaterials in einer, insbesondere elektrischen, Maschine festgestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln. Die Vorrichtung weist wenigstens eine Lichtquelle und wenigstens einen Detektor zum Erfassen von Licht auf.
Um nun besonders vorteilhaft Partikel detektieren zu können, insbesondere Partikel von einer Isolierung einer, insbesondere elektrischen, Maschine, weist die Vorrichtung wenigstens ein von einem Gasstrom durchströmbares und mittels von der Lichtquelle bereitgestelltem Licht beleuchtbares Detektionsvolumen auf. Dabei ist der Detektor dazu ausgebildet, Streulicht, welches aus einer durch in dem Gasstrom enthaltenen Partikel in dem Detektionsvolumen bewirkten Streuung des Lichts zum beleuchten des Detektionsvolumens resultiert, zu erfassen.
Mit anderen Worten, wenn im Gasstrom im Detektionsvolumen Partikel enthalten sind, kann Streulicht, welches aus der Streuung von Licht an den im Detektionsvolumen enthaltenen Partikeln resultiert, den Detektor erreichen, sodass dieser das Streulicht erfassen kann. Dabei erreicht Licht, das von der Lichtquelle zum Beleuchten des Detektionsvolumen bereitgestellt wird, als sogenanntes Primärlicht das Detektionsvolumen und wird dort im Falle eines im Gasstrom, welcher das Detektionsvolumen durchströmt, enthaltenen Partikels an diesem gestreut.
Das gestreute Licht, kurz Streulicht, kann von dem Detektor erfasst werden, wodurch Rückschlüsse auf in dem Gasstrom enthaltene Partikel beziehungsweise das Partikel möglich ist. Dabei kann der Detektor beispielsweise eine Photodiode, eine Avalanche-Photodiode oder einen Photomultiplier zum Erfassen des Streulichts aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, insbesondere kleinste, Partikel, welche sich im, insbesondere freien, Luft- beziehungsweise Gasstrom, insbesondere einer Maschinenkühlung, befinden, bei laufendem Maschinenbetrieb zu detektieren. Dadurch ist eine dynamische Detektion der Partikel realisierbar, da die Partikel, während sie detektiert werden, durch das Detektionsvolumen bewegt beziehungsweise transportiert werden. Dabei streuen die Partikel, welche das Detektionsvolumen passieren, das einfallende Primärlicht je nach Partikelgröße, Partikelform in unterschiedliche Raumrichtungen, wobei Wellenlänge und/oder Polarisationszustand des durch die Lichtquelle emittierten Lichts, sprich des Primärlichts, ebenfalls Einfluss auf die Streuung nehmen können.
Dadurch ist eine Schadensfrüherkennung möglich, wodurch Schäden, wie sie beispielsweise durch elektrischen Durchschlag an schadhaften Isolationsstellen verursacht werden können, vermeidbar und somit unplanmäßige und teure Maschinenstillstände vorbeugbar sind.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung einen ersten Lichtleitereiter auf, mittels welchem das von der Lichtquelle bereitgestellte Licht zum beleuchten des Detektionsvolumens in dieses einkoppelbar ist beziehungsweise eingekoppelt wird. Darüber hinaus weist die Vorrichtung einen zweiten Lichtleiter auf, mittels welchem das Streulicht aus dem Detektionsvolumen zu dem Detektor zu führen ist beziehungsweise geführt wird. Durch den ersten Lichtleiter, welcher das Licht der Lichtquelle zum Detektionsvolumen führt, kann die Lichtquelle flexibel an beziehungsweise in der Vorrichtung positioniert werden. Mit anderen Worten muss die Lichtquelle nicht direkt am beziehungsweise im Detektionsvolumen angeordnet sein, was eine große Flexibilität bei der Anordnung des Detektionsvolumens beziehungsweise dessen Größe verschafft. Im Falle des zweiten Lichtleiters ergeben sich die gleichen Vorteile analog zum ersten Lichtleiter, eine flexible Anordnung für den Detektor, das heißt der Detektor kann ebenfalls flexibel und nicht direkt am Detektionsvolumen angeordnet werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Detektionsvolumen zumindest ein Teil eines von dem Gasstrom durchströmbaren Kanals ist, wobei zumindest jeweilige Teilbereiche, insbesondere jeweilige freie Enden, der Lichtleiter in dem Kanal angeordnet und von dem Gasstrom umströmbar sind. Jeweils ein Ende des jeweiligen Lichtleiters endet in dem Kanal, insbesondere in dem Detektionsvolumen, wodurch in besonders vorteilhafter Weise im Falle des ersten Lichtleiters, welcher das von der Lichtquelle bereitgestellte Licht beziehungsweise Primärlicht führt, eine Beleuchtung des Detektionsvolumens gewährleistet ist. Im Fall des zweiten Lichtleiters kann das Licht, insbesondere das Streulicht, besonders vorteilhaft empfangen und beispielsweise aus dem Kanal geleitet werden. Das heißt mittels des jeweiligen Lichtleiters ist das Licht besonders vorteilhaft in das Detektionsvolumen einkoppelbar beziehungsweise aus dem Detektionsvolumen auskoppelbar. Der jeweilige Lichtleiter ist beispielsweise als optische Faser und somit als strahlführendes Element ausgebildet.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Lichtleiter derart angeordnet, dass aus dem ersten Lichtleiter austretendes Licht einen ersten Strahlengang und in den zweiten Lichtleiter einfallendes Licht einen zweiten Strahlengang aufweist, welcher den ersten Strahlengang kreuzt. Mit anderen Worten erfolgt die Detektion des Streulichts vorzugsweise in einer zu einer Beleuchtungsrichtung unterschiedlichen Raumrichtung, wobei das von der Lichtquelle bereitgestellte Licht entlang der Beleuchtungsrichtung in das Detektionsvolumen eingekoppelt wird, beziehungsweise sich entlang der auch als Ausbreitungsrichtung bezeichneten Beleuchtungsrichtung ausbreitet. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass wenig Primärlicht in den zweiten Lichtleiter einfällt, sodass eine übermäßige Beeinflussung des Detektors durch das Primärlicht vermieden werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Lichtleiter wenigstens ein strahlformendes Element auf, über welches das Licht zum Beleuchten des Detektionsvolumens in das Detektionsvolumen einkoppelbar ist.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Lichtleiter wenigstens ein strahlformendes Element aufweist, über welches das Streulicht aus dem Detektionsvolumen in den zweiten Lichtleiter einkoppelbar ist.
Das jeweilige strahlformende Element kann beispielsweise eine Linse und/oder ein Prisma und/oder eine Gradient-Index-Linse sein, sodass mittels des strahlformenden Elements beispielsweise eine Bündelung von Licht möglich ist. Teile des Lichtleiters, welche nicht die strahlformenden Elemente sind, können als strahlführende Elemente bezeichnet werden. Vorzugsweise befindet sich das jeweilige strahlformende Element an einem Endbereich des jeweiligen Lichtleiters. Bei dem ersten Lichtleiter ist dieser Endbereich vorteilhafterweise der Teil des Lichtleiters, welcher der Lichtquelle gegenüberliegt. Beim zweiten Lichtleiter ist der Endbereich vorzugweise der Teil der detektorabgewandten Seite.
Die Lichtleiter, insbesondere die beiden strahlformenden Enden mit den jeweils an sie angrenzenden strahlführenden Elementen der beiden Lichtleiter, bilden beispielsweise einen sogenannten Sensorkopf. Mittels des Sensorkopfes wird beispielsweise das Licht, insbesondere das Primärlicht, insbesondere über das strahlformende Element des ersten Lichtleiters, aus dem strahlführenden Teil des ersten Lichtleiters in das Detektionsvolumen geleitet, sodass dieses beleuchtet wird. Dabei bestimmt das strahlformende Element, insbesondere durch seine Form, die Form des ersten Strahlengangs. Partikel im Detektionsvolumen beziehungsweise im ersten Strahlengang führen zu einer Streuung des einfallenden Lichts in verschiedene Raumrichtungen. Das Streulicht kann beispielsweise in Richtung des zweiten Strahlengangs des zweiten Lichtleiters reflektiert werden. Je nach Art des strahlformenden Elements des zweiten Lichtleiters ändert sie der zweite Strahlgang, sodass die Art des strahlformenden Elements Einfluss darauf hat, welche Streuwinkel das Streulicht einnehmen kann, um in den zweiten Lichtleiter einkoppelbar und dem Detektor zuführbar zu sein. Durch eine Änderung des strahlformenden Elements des zweiten Lichtleiters könnte beispielsweise Einfluss darauf genommen werden, welche Art von Partikel detektierbar ist. Durch eine Änderung des strahlformenden Elements des ersten Lichtleiters kann Einfluss auf beispielsweise die Größe des beleuchtbaren Detektionsvolumens genommen werden.
Der Sensorkopf kann beispielsweise in dem zuvor genannten, von dem Gasstrom durchströmbaren Kanal der Vorrichtung angeordnet sein. Der Kanal weist dabei das Detektionsvolumen auf. Der Detektor ist dem Sensorkopf zugeordnet, sodass beispielsweise der Sensorkopf und der zugeordnete Detektor eine Sensoreinheit bilden. Da beispielsweise zumindest die jeweiligen Teilbereiche beziehungsweise die freien Enden der Lichtleiter in dem Kanal angeordnet sind, ist der Sensorkopf zumindest teilweise an beziehungsweise in dem Detektionsvolumen beziehungsweise in dem Kanal angeordnet.
Beispielsweise ist wenigstens eine zweite Sensoreinheit vorgesehen, auf welche die vorigen und folgenden Ausführungen zur ersten Sensoreinheit übertragen werden können und umgekehrt. Somit weist beispielsweise die zweite Sensoreinheit einen zweiten Sensorkopf und einen zugeordneten weiteren Detektor auf. Dabei ist beispielsweise auch der zweite Sensorkopf zumindest teilweise in dem Kanal angeordnet. Die Sensorköpfe sind dabei vorzugsweise in Strömungsrichtung des den Kanal durchströmendem Gasstroms hintereinander beziehungsweise aufeinanderfolgend angeordnet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens einen zweiten Detektor zum Erfassen von Licht und wenigstens einen dritten Lichtleiter auf, mittels welchem mittels des ersten Lichtleiters in das Detektionsvolumen eingekoppeltes nicht-gestreutes Licht aus dem Detektionsvolumen zu dem zweiten Detektor zu führen ist. Durch den dritten Lichtleiter wird somit Licht, welches nicht und/oder unter anderem Winkel an den Partikeln gestreut wird, aus dem Detektionsvolumen ausgeleitet und zu dem zweiten Detektor geführt, mittels welchem das den dritten Lichtleiter durchlaufende Licht erfassbar ist beziehungsweise erfasst wird.
Der erste Lichtleiter und der dritte Lichtleiter sind vorzugsweise derart angeordnet, dass das in den dritten Lichtleiter einfallendes Licht einen dritten Strahlengang aufweist, welcher beispielsweise parallel zu dem ersten Strahlengang verläuft. Insbesondere kann der dritte Strahlengang mit dem ersten Strahlengang zusammenfallen. Dadurch kann der zweite Detektor Licht, insbesondere Primärlicht, als Referenzsignal empfangen und dadurch eine Kontrolle der Funktionstüchtigkeit der Sensoreinheit erfolgen. Beispielsweise kann so ein Kabelbruch eines der Lichtleiter erkannt werden. Darüber hinaus könnte beispielsweise das Streulicht auf das Referenzsignal normiert werden, um Schwankungen beispielsweise der Lichtquelle zu kompensieren. Der Lichtleiter weist bevorzugt ebenfalls ein strahlformendes Element auf. Der dritte Lichtleiter und damit der dritten Strahlengang können beispielsweise so ausgerichtet sein, dass der dritte Strahlengang den ersten Strahlengang kreuzt, insbesondere unter einem anderen Winkel als der zweite Strahlengang, womit beispielsweise weitere Arten von Partikel nachweisbar sind. Prinzipiell sind zumindest nahezu beliebige Winkel möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens eine Strahlenfalle auf, welche für zumindest einen Teil des Lichts zum Beleuchten des Detektionsvolumens als Absorber dient. Die Strahlenfalle soll verhindern, dass Primärlicht direkt oder über Reflexion beispielsweise an Flächen des Sensorkopfs in den zweiten Lichtleiter, den sogenannten Detektionspfad, gelangt. Dadurch ist ein Betrieb des Detektors ohne die Lichtquelle als Störquelle möglich. Darüber hinaus kann die Strahlenfalle so ausgebildet sein, dass sie Licht in den dritten Lichtleiter einkoppelt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Detektor dazu ausgebildet, wenigstens ein, insbesondere elektrisches, Signal bereitzustellen, welches das erfasste Streulicht charakterisiert, das die in dem Luftstrom enthaltenen und das Licht zum Beleuchten des Detektionsvolumen in dem Detektionsvolumen streunenden Partikel charakterisiert. Mit anderen Worten ist der Detektor so ausgebildet, dass er Streulicht, welches in ihn einfällt, nicht nur detektieren, sondern auch unterscheiden kann. Dabei bedeutet „unterscheiden“, dass der Detektor je nach Art des einfallenden Lichtes ein jeweiliges charakteristisches elektrisches Signal bereitstellt, welches beispielsweise von einer als Auswerteeinheit ausgebildeten elektronischen Recheneinheit empfangen und weiterverarbeitet werden kann. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Rückschlüsse auf die Art des Partikels möglich sein können, wodurch eine Charakterisierung des Partikels erfolgen kann. Dies kann hilfreich bei einem Aufspüren eines möglichen Schadens der Maschine sein. Das Signal wir auch als Detektorsignal bezeichnet, wobei eine elektronische Verstärkerschaltung vorgesehen sein kann, mittels welcher das Signal verstärkt wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Partikeln, bei welchen die Partikel mittels wenigstens einer Lichtquelle und mittels wenigstens eines Detektors zum Erfassen von Licht detektiert werden. Dazu wird bei dem Verfahren wenigstens ein von einem Gasstrom durchströmbares Detektionsvolumens von mittels der Lichtquelle bereitgestelltem Licht beleuchtet. Streulicht aus einer an den in dem Gasstrom enthaltenen Partikeln im Detektionsvolumen bewirkten Streuung des Lichts, insbesondere Primärlichts, wird von einem Detektor erfasst, sodass die Partikel anhand des erfassten Streulichts detektiert werden.
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigt:

1 eine schematische Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 einen schematischen Aufbau der Vorrichtung gemäß 1;
3 eine schematische Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung;
4 einen schematischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Detektors und einer Kontroller-Einheit der Vorrichtung;
5 eine schematische Schaltung eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung;
6 eine schematische Perspektivansicht eines Sensorkopfes in einer ersten Messanordnung;
7 ein exemplarisches Messdiagramm einer Messung gemäß der Messanordnung aus 6;
8 eine schematische Perspektivansicht des Sensorkopfes gemäß 6 in einer zweiten Messanordnung;
9 ein exemplarisches Messdiagramm einer Messung gemäß der Messanordnung aus 8;
10 eine schematische Perspektivansicht des Sensorkopfes gemäß 6 in einer dritten Messanordnung;
11 ein exemplarisches Messdiagramm einer Messung gemäß der Messanordnung aus 10;
12 eine schematische Schaltung eines vierten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung;
13 einen ersten schematischen Aufbau der Vorrichtung gemäß 12;
14 einen zweiten schematischen Aufbau der Vorrichtung gemäß 12;
15 einen dritten schematischen Aufbau der Vorrichtung gemäß 12; und
16 eine Anordnung zweier Vorrichtung gemäß 2 hintereinander;

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 10, wobei die Vorrichtung 10 wenigstens eine Lichtquelle 12 und wenigstens einen Detektor 14 zum Erfassen von Licht aufweist.
Die Vorrichtung kann Teil einer, insbesondere elektrischen, Maschine sein und dient der Detektion von Partikeln. Durch die Detektion der Partikel, welche beispielsweise aus Isolationsmaterial von Isolierungen im Inneren der elektrischen Maschine gebildet sind, kann auf eventuelle Schäden der Maschine geschlossen werden.
Um eine Detektion der Partikel nun besonders vorteilhaft zu gestalten, wird von der Lichtquelle 12 Licht bereitgestellt, mittels welchem ein Detektionsvolumens 16 beleuchtet wird. Dabei ist das Detektionsvolumen 16 von einem Gasstrom durchströmbar, welcher beispielsweise ein Kühlluftstrom der Maschine ist. Dieser Gasstrom kann die Partikel tragen beziehungsweise durch das Detektionsvolumen 16 fördern. Werden die Partikel beim Durchströmen durch das Detektionsvolumen 16 von dem Licht der Lichtquelle 12 getroffen, bewirken die Partikel eine Streuung des auf sie treffenden Lichtes, wodurch Streulicht erzeugt wird. Der Detektor 14 ist so ausgebildet, dass er dieses Streulicht erfassen kann. Mit anderen Worten wird das Streulicht mittels des Detektors 14 erfasst.
Mittels der Vorrichtung können Information über die im Detektionsvolumen 16 beziehungsweise Gasstrom vorkommenden Partikel und einen Partikelgehalt gewonnen werden. Mit anderen Worten wird, dank der Vorrichtung 10, die Detektion kleinster Partikel, welche sich im Luftstrom beziehungsweise Gasstrom beispielsweise einer Maschinenkühlung befinden, bei laufendem Maschinenbetrieb ermöglicht.
Der Detektor 14 kann so ausgebildet sein, dass er eine, insbesondere elektronische, Verstärkerschaltung aufweist, siehe hierzu 3. Sowohl der Detektor 14 als auch die Lichtquelle 12 können mit einer Kontroller-Einheit 18 verbunden sein.
Der Kontroller-Einheit 18 kann dabei so ausgebildet sein, dass sie die Lichtquelle 12 und den Detektor 14 ansteuert, insbesondere regelt und/oder steuert. Dabei kann die Kontroller-Einheit 18 beispielsweise optische Steuersignale in elektrische Signale umwandeln, beispielsweise durch einen geeigneten AD-Wandler (Analog-Digital-Wandler) und/oder eine FPGA-Schaltung. Ferner kann die Kontroller-Einheit 18 beispielsweise durch eine geeignete Real-Time Verarbeitung, also eine Echtzeitverarbeitung, Steuersignale und/oder Detektorsignale in wenigstens ein weiteres Signal überführen. Dieses Signal kann beispielsweise digital in einer Speichereinrichtung 20, wie beispielsweise einem Flash-Speicher, gespeichert werden. Ferner kann das Signal beispielsweise durch einen DA-Wandler (Digital-Analog-Wandler) in beispielsweise ein analoges Ausgabesignal gewandelt werden, um an wenigstens ein weiteres Datenerfassung-System und/oder Monitoring-System 22 weitergeleitet zu werden. Weitere Details zu einem möglichen Aufbau der Kontroller-Einheit 18 zeigt 4.
Besonders vorteilhaft, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, weist die Vorrichtung 10 einen ersten Lichtleiter 24 auf, mittels welchem das von der Lichtquelle 12 bereitgestellte Licht zum Beleuchten des Detektionsvolumens 16 in dieses einkoppelbar ist beziehungsweise eingekoppelt wird. Ferner ist ein zweiter Lichtleiter 26 vorgesehen, mittels welchem das Streulicht aus dem Detektionsvolumens 16 zu dem Detektor 14 geführt werden kann beziehungsweise wird. Die Lichtleiter 24 und 26 können beispielsweise aus jeweils wenigstens einem faseroptischen Kabel gebildet sein und als strahlführende Elemente beziehungsweise strahlführende optische Elemente bezeichnet werden.
Vorteilhafterweise ist das Detektionsvolumen 16 zumindest ein Teil eines von dem Gasstrom durchströmbaren Kanals, wobei zumindest jeweilige Teilbereiche, insbesondere jeweilige freie Enden, der Lichtleiter 24 und 26 in dem Kanal angeordnet und von dem Gasstrom umströmbar sind. Dabei bilden die jeweiligen Teilbereiche der Lichtleiter 24 und 26 zusammen genommen einen Sensorkopf 28 beziehungsweise sind Bestandteile des Sensorkopfes 28, welcher beispielsweise die Lichtleiter 24 und 26 umfasst. Ein Ausführungsbeispiel des Sensorkopfes 28 ist beispielsweise in 2 gezeigt.
Das in 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst die Lichtquelle 12, welche beispielsweise eine Laserdiode, LED, SLED, ein durchstimmbarer Laser, das heißt ein Laser, dessen Wellenlänge variiert werden kann, oder eine Glühlampe sein oder umfassen kann. Das Licht der Lichtquelle 12 wird beispielsweise in den Sensorkopf 28 eingekoppelt, insbesondere über den Lichtleiter 24, welcher beispielsweise als faseroptisches Kabel ausgebildet ist oder ein solches Kabel umfasst. Vorteilhafterweise ist der erste Lichtleiter 24 so ausgebildet, dass dieser an dem dem Detektionsvolumen 16 zugeordneten Ende ein strahlformendes Element 30, beispielsweise eine Linse aufweist. Mittels des Sensorkopfes 28 wird das Licht beispielsweise über das strahlformende Element 30 in beziehungsweise durch das Detektionsvolumen 16 geleitet. Dadurch bildet sich im Detektionsvolumen 16 ein erster Strahlengang 32 des Lichts aus, welcher je nach Art des strahlformenden Elements 30 einen charakteristischen Verlauf aufweisen kann. Vorteilhafterweise kann der Strahlengang 32 bei Erreichen des Endes des Detektionsvolumens 16 auf eine Strahlenfalle 34 treffen, das heißt, dass die Strahlenfalle an einem Ende des Strahlengangs 34 beziehungsweise in dem Strahlengang 34 angeordnet ist.
Als Primärlicht wird das Licht der Lichtquelle 12 bezeichnet, welches noch nicht, insbesondere an einem Partikel 36, gestreut wurde. Mittels der Strahlenfalle 34 kann zumindest ein Teil des Lichts, insbesondere des Primärlichts, zum Beleuchten des Detektionsvolumens 16 absorbiert werden. Wie beispielsweise in 14 gezeigt wird, ist mittels der Strahlenfalle 34 auch ein Einkoppeln eines Teils des Primärlichts in einen weiteren Lichtleiter 90 möglich.
Befindet sich ein Partikel 36 in dem Strahlengang 32, wird das Partikel 36 von dem durch die Lichtquelle 12 bereitgestellten Licht getroffen. Dabei entsteht durch Streuung das Streulicht, welches mittels des Detektors 14 detektiert werden kann beziehungsweise wird. Um das Streulicht besonders vorteilhaft detektieren zu können, weist der zweite Lichtleiter 26 wenigstens ein strahlformendes Element 38 auf, über welches das Streulicht aus dem Detektionsvolumen 16 in den zweiten Lichtleiter 26 einkoppelbar ist, wobei das Streulicht mittels des Lichtleiters 26 zum Detektor 14 geleitet wird.
Vorzugsweise erfolgt die Detektion des Streulichts in einer zur Beleuchtungsrichtung, das heißt zum Strahlengang 32, unterschiedlichen Raumrichtung. Daher ist der Lichtleiter 26 so eingerichtet, dass insbesondere sein strahlformendes Element 38 einen zweiten Strahlengang 40 bildet, sodass Streulicht, welches von seinem Erzeugungsort, dem Partikel 36, entlang des Strahlengangs 40 läuft, durch den Detektor 14 detektierbar wird beziehungsweise ist. Mit anderen Worten ist der Strahlengang 32 des ersten Lichtleiters 24 so geführt, dass er den zweiten Strahlengang 40 des zweiten Lichtleiters 26, wie beispielsweise in 2 gezeigt, kreuzt.
Ferner zeigt 2 ein Sensorkopfgehäuse 42, welches beispielsweise in einem von dem Gasstrom durchströmbaren Kanal der Vorrichtung 10 angeordnet ist. Dabei ist die Richtung des Gasstroms durch einen Pfeil angedeutet, welcher der z-Achse 44 des Koordinatensystems 86 beispielsweise in 6 entspricht. Das Sensorkopfgehäuse 42 weist dazu ein in dem Kanal angeordnete Durchströmöffnung 46 auf, in welcher das Detektionsvolumen 16 ausgebildet ist. Die in 2 gezeigten Komponenten, wie beispielsweise der Detektor 14 und der Sensorkopf 28, können zusammenfassend als Sensorsystem 72 bezeichnet werden.
Der Gasstrom strömt mit einer Strömungsgeschwindigkeit durch die Durchströmöffnung 46. Die Strömungsgeschwindigkeit kann dabei so angepasst werden, dass eine zeitlich schnelle Detektion mittels des Detektors 14 erreicht werden kann, sodass das Detektionsvolumen 16 passierende Partikel 36 beziehungsweise Partikelcluster erfasst werden können und ein entsprechendes Messsignal am Detektor 14 abgeleitet werden kann.
Der Partikel 36, der das Detektionsvolumen 16 passiert, streut das einfallende Licht je nach seiner Partikelgröße und seiner Partikelform. Des Weiteren spielen die Wellenlänge des verwendeten Lichts der Lichtquelle 12 sowie der Polarisationszustand des Lichts eine Rolle bei der Streuung und verändern beispielsweise bei Veränderung der Wellenlänge besipielsweise die Raumrichtung des Streulichts, das heißt die Richtung, in welche das gestreute Licht abgelenkt wird. Daher kann es, wie in 2 gezeigt, sinnvoll sein, das Primärlicht mittels eines geeigneten Polarisators 48 zu polarisieren. Mittels eines zweiten Polarisators 50, welcher in den Strahlengang 40 des Streulichts eingebracht ist, ist es möglich, das Streulicht zu polarisieren. Je nach Orientierung des Polarisators 48 beziehungsweise des Polarisators 50 können polarisationsabhängige Streuprozesse erfasst werden. Dabei können sich die Polarisatoren 48 und 50 wie in 2 gezeigt im Sensorkopf 42 befinden beziehungsweise Teil des Sensorkopfes 42 sein. Ebenso kann eine Anordnung je nach verwendetem Lichtleiter 24 beziehungsweise 26 in der Nähe der Lichtquelle 12 beziehungsweise des Detektors 14 möglich sein.
Die Strahlenfalle 34 kann so ausgebildet sein, dass ein geringer Lichtanteil des Primärlichts von der Strahlenfalle 34 aus als Referenzsignal in das Detektionsvolumen 16 gestreut wird. Das von der Strahlenfalle 34 gestreute Licht kann von dem Detektor 14 detektiert werden, wobei der Anteil des von der Strahlenfalle 34 in den Detektor 14 gestreuten Lichts geringer als das von den Partikeln 36 gestreuten Streulichts ausfallen sollte. Dadurch kann beispielsweise eine Kontrolle des Sensors 14 erfolgen, um beispielsweise einen Kabelbruch eines der zumindest teilweise als optische Fasern ausgebildeten Lichtleiter 24 und/oder 26 zu erfassen. Das von der Strahlenfalle 34 gestreute Licht kann darüber hinaus als Referenzsignal dienen, wodurch beispielsweise Schwankungen der Lichtquelle 12 kompensiert werden können.
Der Detektor 14 ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass er wenigstens ein, insbesondere elektrisches, Signal bereitstellen kann, welches das erfasste Streulicht charakterisiert. Dadurch ist eine Charakterisierung der in dem Gasstrom enthaltenen und das Licht zum Beleuchten des Detektionsvolumen 16 in dem Detektionsvolumen 16 streunenden Partikel 36 möglich.
3 zeigt eine schematische Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Hier wird die Lichtquelle 12 beispielsweise moduliert und/oder gepulst betrieben. Dadurch kann beispielsweise ein konstantes oder variables Untergrundsignal, welches beispielsweise durch einen Drift eines Detektorvorverstärkers 52 entsteht, kompensiert werden. Des Weiteren kann die Lichtquelle 12 mittels eines thermoelektrischen Kühlers 54 thermisch stabilisiert werden, welcher beispielsweise als Peltier-Element ausgeführt ist. Dadurch kann beispielsweise eine konstante optische Ausgangsleistung, das heißt eine gleichmäßige Menge an Licht, der Lichtquelle 12 bei variablen Umgebungstemperaturen, welche in einer Umgebung der Vorrichtung 10 herrschen, gewährleistet werden. Je nachdem, welche Anforderungen an die Vorrichtung 10 gestellt werden, kann es ferner vorteilhaft sein, auch den Detektor 14 und/oder dessen elektrischen Verstärker 52 sowie weitere Bauteile, beispielsweise die Kontroller-Einheit 18 thermisch zu stabilisieren beziehungsweise zu kühlen.
Der Detektor 14 kann beispielsweise einen Photomultiplier mit einem vorgeschalteten Störlichtfilter 56 aufweisen. Hierdurch können beispielsweise kurze Störsignale bei, insbesondere hohen, Kühlluftgeschwindigkeiten, welche beispielsweise 20 m/s und schneller sind, erfasst werden, wodurch die Sensitivität des Detektors 14 erhöht werden kann. Der Störlichtfilter 56 kann dazu so ausgebildet sein, dass er nur Licht der Lichtquelle 12 transmittiert und beispielsweise Umgebungslicht mit einer zu dem Licht der Lichtquelle 12 unterschiedlichen Wellenlänge nicht hindurch lässt. Ferner kann der als Photomultiplier ausgebildete oder einen solchen Photomultiplier umfassende Detektor 14 mittels einer Schutzbeschaltung betrieben werden, welche verhindert, dass der Photomultiplier beispielsweise bei einem Öffnen der Maschine durch intensiven Lichteinfall beeinträchtigt wird. Dies könnte beispielsweise seine Lebensdauer verkürzen und/oder zu einem Ausfall des Photomultipliers führen. Mittels der Kontroller-Einheit 18 könnte beispielsweise ein Ausgangspegel des Photomultipliers überwacht werden, sodass der Photomultiplier bei einer längerfristigen kritischen Übersteuerung abgeschaltet wird. Diese Abschaltung kann beispielsweise durch ein Herabsetzen oder Abschalten einer Dynoden-Spannung des Photomultipliers realisiert werden.
4 zeigt einen schematischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung des Detektors 14 und der Kontroller-Einheit 18 der Vorrichtung 10. Mittels der in 4 gezeigten Schaltung können Signale, welche durch das Auftreffen von Streulicht auf den Detektor 14 verursacht und beispielsweise von dem Detektor 14 bereitgestellt werden, mit einer hohen Datenrate erfasst und digitalisiert werden, beispielsweise in einer Größenordnung von 200 kHz oder schneller. Dazu stellt der als Photomultiplier ausgebildete Detektor 14 ein Signal bereit, welches von dem Detektorvorverstärker 52 empfangen und verstärkt wird und im Anschluss von dem Detektorvorverstärker 52 an die Kontroller-Einheit 18 weitergeleitet wird. Die Kontroller-Einheit 18 ist so ausgebildet, dass sie eine schnelle FPGA-basierte Datenauswertung des verstärkten Sensorsignals ermöglicht. Dabei behält die Kontroller-Einheit 18 gesammelte Informationen über alle schnellen Streuereignisse, das heißt über das erfasste Streulicht. Die Kontroller-Einheit 18 kann ein analoges Ausgangssignal mit einer wesentlich geringeren Datenrate erzeugen, welches beispielsweise an ein Monitoring-System 22, insbesondere ein Condition-Monitoring-System weitergeleitet beziehungsweise diesem zur Verfügung gestellt werden kann. Die Kontroller-Einheit 18 ist vorteilhafterweise in der Lage, unterschiedliche Phasen einer Signalverarbeitung nebeneinander durchzuführen. Dazu wird beispielsweise in einem ersten Schritt, nach dem das Signal von einem AD-Wandler (Analogdigitalwandler) 48 in ein digitales Signal verwandelt wurde, EMV-Einflüsse mittels eines EMV-Filters 60 aus dem Signal gefiltert beziehungsweise eliminiert. Das dadurch entstörte Signal wird mittels einer Peak-Analyse-Einrichtung 62 analysiert. Die Peak-Analyse-Einrichtung 62 ist dazu ausgebildet einen Peak-Such-Algorithmus auszuführen, wobei das Signal während einer Peak-Suche, beispielsweise mittels geeigneten Filtern, wie beispielsweise einem Tiefpassfilter, bearbeitet wird.
Eine Signalbildungseinheit 64 ist dazu ausgebildet, aus identifizierten Streulichtsignalanteilen innerhalb eines bestimmten Zeitraums ein Signal, welches für eine Identifikation eines Partikels 36 heranziehbar ist, abzuleiten, was beispielsweise durch eine Integration einer Peakfläche realisierbar ist.
In einem weiteren Schritt wird mittels einer Skalier-Einheit 66 das Signal skaliert, sodass beispielsweise ein bestimmter Wertebereich nicht über- oder unterschritten wird. Das so aus dem ursprünglichen Detektorsignal verarbeitet Signal kann mit einer geringen Datenrate, von beispielsweise 1 kHz, an einem Analogausgang der Kontroller-Einheit 18 bereitgestellt werden. Das verarbeitet Signal kann beispielsweise als Spannungssignal mit Spannungswerten zwischen 0 V und 10 V zur Verfügung gestellt werden.
Der Spannungssignal kann beispielsweise von weiteren Datenerfassungsgeräten wie dem Monitoring-System 22 empfangen werden, während in der Kontroller-Einheit 18 gleichzeitig die soeben beschriebene Datenverarbeitung für eine kontinuierliche Signalerfassung von weiteren Signalen des Detektor 14 durchgeführt wird. Für die Signalausgabe beziehungsweise Weiterleitung an beispielsweise ein Monitoring-System 22 ist es vorteilhaft, dass, beispielsweise durch eine Anpassung einer Spannung des verarbeiteten Signals, eine Signalkodierung von einer Signalkodierungseinheit 68 durchgeführt wird. Das verarbeitet Signal kann mittels eines DA-Wandlers 70 von einem digitalen in ein analoges Signal überführt werden, bevor es beispielsweise einem Monitoring-System 22 zur Verfügung gestellt wird.
Ferner kann mittels der Signalkodierungseinheit 68 und der Skalierungseinheit 66 eine geeignete Umwandlung des analogen Ausgangssignals erfolgen, bei welcher beispielsweise zusätzliche Zustandsinformationen in das analoge Ausgangssignal codiert werden. Beispielsweise kann ein Pegel von 0 V als Zustand „System aus“, ein Pegel von +0,2 V als Zustand „Störung 1“ usw. codiert werden. Beispielsweise könnte ein Zustand von +1 V bis +9,9 V als Partikelsignal in Abhängigkeit von der Partikelanzahl und/oder der Partikeldichte und ein Zustand von +10 V als Zustand „Messbereich überschritten“ codiert werden.
Dabei können die Peak-Analyse-Einheit 62, die Signalbildungseinheit 64, die Skalierungseinheit 66 und die Signalkodierungseinheit 68 beispielsweise als virtuelle Elemente, welche auf einer elektronischen Recheneinrichtung mittels Software simuliert werden, ausgebildet sein.
5 zeigt eine schematische Schaltung eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Im dritten Ausführungsbeispiel sind ein erstes Sensorsystem 72 und ein zweites Sensorsystem 74 über wenigstens eine digitale Datenschnittstelle, welche die jeweilige Kontroller-Einheit 18 des jeweiligen Sensorsystems 72 beziehungsweise 74 aufweist, verbunden. Ferner sind beide Sensorsysteme 72 und 74 mittels einer weiteren digitalen Datenschnittstelle mit weiteren Systemen, wie beispielsweise einem Monitoring-System 22, verbunden. Die Verbindung erfolgt dabei indirekt über einen Router 76 beziehungsweise eine Switch, insbesondere über standardisierte Netzwerk-Schnittstellen. Die jeweilige Kontroller-Einheit 18 des jeweiligen Sensorsystems 72 beziehungsweise 74 der Vorrichtung 10 kann beispielsweise mit einem Benutzerterminal 78 und/oder einem externen Netzwerk 80 und/oder einer Steuerungseinheit 82 und/oder einer Datenbank 84 verbunden sein.
Durch die Möglichkeit einer Vernetzung der Vorrichtung 10 mit diversen anderen Systemen mittels des Routers 76 kann beispielsweise eine Umstellung von Messbereichen und/oder anderer Systemparameter, wie beispielsweise Anregungsintensität der jeweiligen Lichtquellen 12, des Verstärkungsfaktors des jeweiligen Detektorvorverstärker 52 usw. realisiert werden.
Durch das Benutzerterminal 78 kann beispielsweise ein bestimmtes Sensorsystem beispielsweise 72 durch ein anderes Sensorsystem beispielsweise 74 beeinflusst werden. Ferner können die Steuerungsparameter der Steuerungseinheit 82 sowohl direkt als auch indirekt durch die erfassten und/oder übermittelten Sensorsignale beeinflusst werden. In der Datenbank 84 ist eine Erfassung und Protokollierung der Signale möglich. Somit können Zustände eines Sensorsystems 72 und/oder 74 wie beispielsweise ein Ansprechverhalten des Detektors 14 und Eingangsgrößen zur Steuerung wenigstens eines der Sensorsysteme 72 oder 74 erfasst und angezeigt werden. Darüber hinaus können beispielsweise weitere Datenerfassungsgeräten und/oder Sensorsystemen vernetzt werden.
6, 8, 10 zeigen jeweils eine schematische Perspektivansicht des Sensorkopfs 28 in einer jeweiligen Messanordnung. Das Primärlicht wird beim Eintreten in das Detektionsvolumen 16 mit einer geeigneten Optik, wie beispielsweise dem strahlformenden Element 30 aus dem Lichtleiter 24 in einen gewünschten Strahlengang 32 geformt und in das Detektionsvolumen 16 eingebracht. Das Streulicht, das heißt das Licht der Streuanregung, wird mittels dem strahlformenden Element 36 beispielsweise gebündelt und in den Lichtleiter 26 eingekoppelt. Zusätzlich können die jeweiligen Polarisatoren 48 und/oder 50 eine jeweilige Polarisation des durch sie hindurchtretenden Lichts herbeiführen. Durch eine Polarisation eines Lichtes, welches durch eine Lichtwelle beschreibbar ist, wird ein Schwingungszustand wie beispielsweise die Amplitude oder die Schwingungsrichtung der Lichtwelle geändert.
Das strahlformende Element 36 kann beispielsweise als Linse als Liniengenerator und/oder ein polarisierende-optisches Element ausgebildet sein, wobei als polarisierendes Element vorzugsweise ein Polarisator 48 beziehungsweise 50 in den Strahlengang 32 beziehungsweise 40 eingebracht wird, wobei der jeweilige Polarisator 48 beziehungsweise 50 beispielsweise polarisiertes, teilpolarisiertes oder unpolarisiertes oder zirkular-polarisiertes Licht erzeugen kann. Ferner kann damit ein linienförmiges und/oder ein elliptisches Strahlprofil erzeugen werden, was Einfluss auf die Größe des Detektionsvolumens nehmen kann. Des Weiteren können das strahlformende Element 30 und/oder das strahlformende Element 38 zusätzlich als jeweiliger Kollimator im jeweiligen Strahlengang 32 beziehungsweise 40 ausgebildet sein. Ein Kollimator dient dazu ein Lichtbündel aus möglichst parallel verlaufenden Lichtstrahlen zu formen, was beispielsweise in einer einfachen geometrischen Form der Strahlengänge 32 beziehungsweise 40 resultiert. Die Polarisation des Lichts des jeweiligen Strahlengangs 32 beziehungsweise 40 kann beispielsweise derart gewählt werden, dass das Primärlicht als räumlich zirkular polarisiertes in einer Zylinderform in das Detektionsvolumen 16 eingestrahltes wird und das Streulicht beim Verlassen des Detektionsvolumens 16 in eine elliptische Form übergeführt wird. Dadurch kann beispielsweise der Detektionsbereich den jeweils vorliegenden Gegebenheiten der Messanordnung angepasst werden, insbesondere ohne dass beispielsweise die Lichtleistung der Lichtquelle 12 dabei erhöht werden muss. Dies ist insbesondere bei Umgebungen der Vorrichtung 10 vorteilhaft, wo ein Explosionsrisiko besteht und daher eine gewisse Explosionsschutzklasse eingehalten werden sollte. Dabei dürfen die eingestreute optische Leistung der Lichtquelle 12 ebenso wie eine erzielte Leistungsdichte des Lichts nicht beliebig erhöht werden.
Eine jeweilige Orientierung der jeweiligen Strahlprofile, das heißt der Form des Lichtstrahls, welche durch das strahlformenden Elemente 30 beziehungsweise 38 beim Verlassen des beziehungsweise Einkoppeln in den Lichtleiter 24 beziehungsweis 26 vorgegeben ist, kann je nach Aufgabenstellung, das heißt beispielsweise nach der Art der zu suchenden Partikel 36 variieren.
So zeigt 6 einen koordinierten Strahlengang 32 des aus der Faser beziehungsweise dem Lichtleiter 24 kommenden Primärlichts, welcher in einer XY-Ebene des Koordinatensystems 86 liegt. Der Partikelstrom bewegt sich entlang der z-Achse des Koordinatensystems 86 durch das Detektionsvolumen 16. Das Primärlicht weist ein zirkuläres Strahlprofil in der XY-Ebene auf, das Strahlprofil des Streulichts kann durch ein Zirkularprofil in der XY-Ebene erfasst werden. Im Vergleich dazu zeigt 8 ein elliptisches Strahlprofil des Primärlichts senkrecht zur z-Achse, das heißt zur Durchflussrichtung des Partikelstroms. Dabei wird im Vergleich zu 6 der Detektionsbereich erweitert, sodass die durch die Detektionsfläche beziehungsweise das Detektionsvolumen 16 tretende Anzahl an Partikeln 36 bei einer angenommenen konstanten Partikeldichte ansteigt, was zu einer ansteigenden Zählrate im Detektor 14 führt.
Die 7, 9 und 11 zeigen jeweils ein Messdiagramm zu dem jeweiligen Versuchsaufbau der 6 beziehungsweise 8 beziehungsweise 10. Somit kann das eben Beschrieben Phänomen der Zählratenzunahme bei Änderung der Polarisation beziehungsweise Strahlform an den 7, 9 und 11 nachvollzogen werden.
Vergleicht man die 7 mit der 9, ist die Zählrate in der 9 im Vergleich zur der in 7 höher, dabei ist allen Messdiagrammen gemein, dass die waagrechte Achse der Zeitachse mit der Einheit Sekunden entspricht und die senkrechte Achse jeweils ein Streusignal, welches durch den Detektor 14 verursacht wird, in der Einheit Volt angibt.
In 8 ist, im Vergleich zur 6, beispielsweise das anregende Primärlicht durch eine Laserlinie in der XY-Ebene des Koordinatensystems 36 realisiert, detektiert wird ebenfalls ein zirkulares Strahlprofil in der XY-Ebene. Die Ausführung in 8 ist im Gegensatz zu der in 6 bei geringer Partikeldichte vorteilhaft, da eine Detektionsfläche des Detektionsvolumens 16 vergrößert wird. In der in 10 gezeigten Messanordnung ist eine Orientierung einer langen Halbachse des elliptischen Strahlprofils im Detektionsbereich erweitert, da beispielsweise die Wellenlänge durch das Detektionsvolumen 16 zunehmend und somit eine längere Detektionsdauer pro Partikel gegeben ist, was in dem Messdiagramm der 11 im Vergleich zum Messdiagramm der 9 anhand einer verbreiteten Peakform erkennbar ist. Das heißt die in 10 gezeigte Messanordnung des Sensorkopfes 28 ist beispielsweise bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten des Gasstroms vorteilhaft. Zudem erschließen sich einem Fachmann weitere Kombinationen von zirkularen, elliptischen und/oder anders geformten Strahlprofilen des anregenden Strahlengangs 32 beziehungsweise des detektierenden Strahlengangs 40, welche hier nicht explizit aufgeführt sind.
12 zeigt eine schematische Schaltung eines vierten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 10. Die Vorrichtung weist ihr zusätzlich zu den bekannten Bauteilen, wie beispielsweise der Lichtquelle 12 und dem Detektor 14, wenigstens einen zweiten Detektor 88 zum Erfassen von Licht auf. Ferner weist die Vorrichtung wenigstens einen dritten Lichtleiter 90, welcher beispielsweise als optische Faser ausgebildet ist, auf, mittels welchem Licht aus dem Detektionsvolumens dem Detektor 88 zugeführt werden kann. Ansonsten sind die Bauteile beispielsweise aus 1 bekannt. Der dritte Lichtleiter 90 kann an einem seiner Endbereich, beispielsweise dem am Sensorkopf 28 angeordnetem Endbereich, in Analogie zu den Lichtleitern 24 beziehungsweise 26 ebenfalls ein strahlformendes Element 92 aufweisen.
13, 14, und 15 zeigen jeweils eine mit der in 12 gezeigten Schaltung realisierbare Messanordnung.
13 zeigt einen schematischen Aufbau der Vorrichtung 10 gemäß 12 bei welcher das gestreute Licht aus mehreren unterschiedlichen Raumwinkeln erfasst wird. Da ein Streuvorgang an einem Partikel 36 abhängig vom Streuwinkel ist, kann mit der gezeigten Anordnung beispielsweise auf spezielle Eigenschaften des Partikels 36 geschlossen werden. Beispielsweise können mehrere unterschiedliche Wellenlängen zur Anregung der Lichtstreuung genutzt werden, das heißt die Lichtquelle 12 kann beispielsweise durchmoduliert beziehungsweise durchgestimmt werden. Durch diese Selektivität kann beispielsweise die Identifikation von verschiedenen Arten von Partikeln 36 erhöht werden. Hierzu kann die Lichtquelle 12 beispielsweise durchstimmbar sein und die unterschiedlichen Streusignale können zeitlich nacheinander aufgenommen werden.
14 zeigt einen zweiten schematischen Aufbau der Vorrichtung 10 gemäß 12. Bei diesem Aufbau ist der Lichtleiter 90 an der Strahlenfalle 34 für ein Referenzieren positioniert. Das Referenzieren wird durch das ungestreut durch das Detektionsvolumen 16 hindurchtretende Primärlicht beziehungsweise Teile davon erzeugt. Dazu werden zumindest Teile des Primärlichts vom Detektor 88 detektiert. Hierdurch kann beispielsweise eine eingestellte Lichtleistung referenziert werden, wodurch beispielsweise Dämpfungsverluste in den Lichtleitern 24 beziehungsweise 26 beziehungsweise 90 oder in den Kopplungen zwischen beispielsweise Lichtleiter 24 und Lichtquelle 12 erfasst werden können.
15 zeigt einen dritten schematischen Aufbau der Vorrichtung 10 gemäß 12. Bei diesem Aufbau ist der zusätzliche dritte Lichtleiter 90 so am Sensorkopf 28 positioniert, dass ein Referenzieren durchführt werden kann. Dazu erfasst der Lichtleiter 90 Anteile des Primärlichts, welche das Detektionsvolumen 16 nicht passiert haben. Dies kann beispielsweise durch einen Strahlteiler 94 erzielt werden, welcher den Strahlengang 32 des Anregungslichts in zwei Pfade aufteilt, von denen einer das Detektionsvolumen 16 durchläuft und zur Streuung am Partikel 36 führt, wohingegen der andere Pfad direkt in einen Referenzast führt. Durch das durch den Strahlteiler 94 vorgegeben, feste und konstante Teilungsverhältnis kann ein Referenzieren des Streusignals auf die eingestreute Lichtleistung erfolgen.
16 zeigt eine Anordnung zweier Vorrichtungen 10 gemäß 2, welche insbesondere in einem Kanal der Maschine hintereinander angeordnet sind. Dadurch können mehrere Detektionsvolumina 16 hintereinander in Bezug auf die Strömungsrichtung des Gasstroms angebracht sein, sodass die Partikel 36 diese nacheinander passieren. In jedem einzelnen Detektionsvolumen 16 wird hierbei ein Streusignal bei beispielsweise einer jeweiligen festen Wellenlänge der jeweiligen Lichtquelle 12 detektiert, wobei sich diese Anregungswellenlänge von Detektionsvolumen 16 zu Detektionsvolumen 16 ändert. Jedoch kann beispielsweise speziell bei hohen Durchflussgeschwindigkeiten des Gasstroms einen Nachteil durch eine Zeitverzögerung bei den Messungen mit beispielsweise nur einer durchstimmbaren Lichtquelle 12 eliminiert werden.
Ferner kann zusätzlich zum Streulichtsignal ein weiteres Signal durch geeignete Sensoren erfasst werden, welches Informationen beispielsweise über die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms durch den Sensorkopf 28 enthält. Dies kann beispielsweise durch ein faseroptisches Hitzdraht-Anemometer oder ein miniaturisiertes Flügelrad mit faseroptischer Lichtschranke realisiert werden. Hierdurch kann das erfasste Streulichtsignal in geeigneter Weise auf das durchgeströmte Volumen referenziert werden, wodurch die zeitliche Breite des Streusignals nicht mehr von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms abhängt, sondern nur noch von der Partikelgröße. Dadurch wird beispielsweise zu dem eine Abschätzung der Partikelgröße möglich.
Insbesondere trockene Partikel werden, im Gasstrom der Maschinenkühlung weitgehend entlang des Kühlkanals durch die gesamte Maschine getragen und bei beispielsweise einem geschlossenen Lüftungssystem sogar wieder in diesen eingebracht. Durch die Anbringung eines Sensorsystems 72 beziehungsweise 74 an einer geeigneten Stelle im Kanal, insbesondere Luftkanal, beispielsweise nahe einer Luftabfuhr aus der Maschine ist eine Partikeldetektion während des Betriebs der Maschine und somit eine Schadensfrüherkennung möglich, selbst wenn der Detektor 14 nicht direkt beziehungsweise das Sensorsystem 72 nicht direkt an der Schadenspositionsstelle positioniert ist beziehungsweise positioniert werden musst. Dies ist oft beispielsweise aufgrund des Raumangebots an den kritischen Stellen der Maschine gar nicht möglich, jedoch bei der vorgestellten Vorrichtung 10 auch gar nicht nötig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2385357 A1 [0003]
DE 102011054047 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (10) zur Detektion von Partikeln (36), mit wenigstens einer Lichtquelle (12), und mit wenigstens einem Detektor (14) zum Erfassen von Licht, gekennzeichnet durch wenigstens einem von einem Gasstrom durchströmbaren und mittels von der Lichtquelle (12) bereitgestelltem Licht beleuchtbaren Detektionsvolumen (16), wobei der Detektor (14) dazu ausgebildet ist, aus einer durch in dem Gasstrom enthaltene Partikel (36) in dem Detektionsvolumen bewirkten Streuung des Lichts zum Beleuchten des Detektionsvolumens (16) resultierendes Streulicht zu erfassen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: - einen ersten Lichtleiter (24), mittels welchem das von der Lichtquelle (12) bereitgestellte Licht zum Beleuchten des Detektionsvolumens (16) in dieses einkoppelbar ist; und - einen zweiten Lichtleiter (26), mittels welchem das Streulicht aus dem Detektionsvolumen (16) zu dem Detektor (14) zu führen ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionsvolumen (16) zumindest ein Teil eines von dem Gasstrom durchströmbaren Kanals ist, wobei zumindest jeweilige Teilbereiche, insbesondere jeweilige freie Enden, der Lichtleiter (24, 26) in dem Kanal angeordnet und von dem Gasstrom umströmbar sind.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiter (24, 26) derart angeordnet sind, dass aus dem ersten Lichtleiter (24) austretendes Licht einen ersten Strahlengang (32) und in den zweiten Lichtleiter (26) einfallendes Licht einen zweiten Strahlengang (40) aufweist, welcher den ersten Strahlengang (32) kreuzt.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtleiter (32) wenigstens ein strahlformendes Element (30) aufweist, über welches das Licht zum Beleuchten des Detektionsvolumens (16) in das Detektionsvolumen (16) einkoppelbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lichtleiter (26) wenigstens ein strahlformendes Element (38) aufweist, über welches das Streulicht aus dem Detektionsvolumen (16) in den zweiten Lichtleiter (26) einkoppelbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch - wenigstens einen zweiten Detektor (88) zum Erfassen von Licht; und - wenigstens einem dritten Lichtleiter (90), mittels welchem mittels des ersten Lichtleiters in das Detektionsvolumen (16) eingekoppeltes, nicht-gestreutes oder gestreutes und nicht in den zweiten Lichtleiter (26) einfallendes Licht aus dem Detektionsvolumen zu dem zweiten Detektor (88) zu führen ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strahlenfalle (34) für zumindest einen Teil des Lichts zum Beleuchten des Detektionsvolumens (16) vorgesehen ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (14/88) dazu ausgebildet ist, wenigstens ein, insbesondere elektrisches, Signal bereitzustellen, welches das erfasste Streulicht charakterisiert, das die in dem Gasstrom enthaltenen und das Licht zum Beleuchten des Detektionsvolumens (16) in dem Detektionsvolumen (16) streuenden Partikel charakterisiert.
Verfahren zur Detektion von Partikeln (36), bei welchem die Partikel (36) mittels wenigstens einer Lichtquelle (12) und mittels wenigstens eines Detektor (14) zum Erfassen von Licht detektiert werden, gekennzeichnet durch wenigstens ein von einem Gasstrom durchströmbaren Detektionsvolumen (16), welches mittels von der Lichtquelle (12) bereitgestelltem Licht beleuchtet wird, wobei mittels des Detektors (14) aus einer durch in dem Gasstrom enthaltene Partikel (36) in dem Detektionsvolumen (16) bewirkten Streuung des Lichts zum Beleuchten des Detektionsvolumens (16) resultierendes Streulicht erfasst wird, sodass die Partikel (36) anhand des erfassten Streulichts detektiert werden.